مبانی زیست فناوری

مبانی زیست فناوری

1

آنچه در این بخش می آموزید

مبانی زیست فناوری The Basics of Biotechnology

 

 

گردآورندگان:
نوید اشهر شانجانی، پیمان ابراهیمی، بهار امیرکاوه
ویراستار علمی: دکتر علیرضا فراست​​​​​​

آنچه در این بخش میآموزید

 

2

مقدمه و زیست شناسی

پیشگفتار
اگر شما علاقمند به شناخت رشتة زیست فناوری هستید، لازم است قبل از مطالعه «شاخه‏های زیست فناوری» حتماً این مجموعه مقدماتی، یعنی «مبانی زیست فناوری»  را مطالعه نمائید. هر رشته ای برای خود زبان‏ و مفاهیمی دارد که آدمی تا بدان‏ها آشنا نباشد، نمی‏تواند به شاخه اصلی و مورد نظر ورود پیدا کند، از این رو این مجموعه برای شما گرامیان به رشتة تحریر در آمده تا با بخش‏هایی از مفاهیم و تعاریف مورد نیاز آشنا شوید.  
 

مقدمه
در کشورهای پیشرفته جهان، «زیست شناسی» نه تنها به عنوان یک رشتة مهم علمی تلقی می‏شود، بلکه به عنوان دانشی سرشناس می‏باشد که همگان، برای بهتر زیستن، باید اصول کلی آن را فرا گیرند. با این هدف در بسیاری از کشورهای جهان شاهد چاپ و نشر کتاب‏ها و مقالات علمی مفید و ارزشمند زیست شناسی هستیم که نه تنها مطالعة آن‏ها شیرین و لذت بخش می‏باشد، بلکه بسیاری از آن‏ها که در شاخه‏های مختلف زیست شناسی هستند، بسیار کاربردی و قابل استفاده در زندگی انسان‏ها و سایر موجودات هستند. که به دست انسان می‏تواند تعمیم داده شود و مورد استفاده همگان قرار گیرد. برای ارتقاء فرهنگ، آرامش و بقاء، این کتاب‏ها می‏توانند راهگشا باشند. امروزه «زیست شناسی»  یکی از مهم‏ترین رشته‏های علوم پایه می‏باشد، که گسترش بسیار چشمگیری در جهان پیدا کرده است. در دهه‏های اخیر، در «عمق مادة زنده» آنچنان پژوهش‏هایی انجام شده است که بیشتر به معجزه شباهت دارد. امروزه زیست شناسی همة رشته‏های علوم را به خدمت گرفته است. با توجه به دلایل ذکر شده و نیاز مبرم برای معرفی کامل رشته «زیست فناوری» به دانش آموزان عزیز، مجموعة پیش نیازی که تقریباً بتواند بخش‏های مهم را به جهت آشنایی مفاهیم و موارد اولیه برای معرفی این رشته ارائه کند تدوین گردیده و در اختیار شما عزیزان قرار داده شده.

1-زیست شناسی 
زیست شناسی دانشی است که در آن موجودات زنده از دیدگاه‏های مختلف مورد مطالعه قرار می‏گیرند. بیائید تا این شاخه بزرگ از علم را بررسی کنیم، همانطور که ذکر شد زیست شناسی دانش بزرگی است و دارای رشته‏های گوناگونی می‏باشد، به افرادی‏که در یک یا چند رشته از دانش زیست شناسی متخصص باشند زیست شناس می‏گویند. این دانش به بررسی ویژگی‌ها و رفتارهای جانداران، چگونگی پیدایش گونه‌ها، افراد و نیز به بررسی تعامل جانداران با یکدیگر و محیط پیرامونشان می‌پردازد، زیست‌شناسی شامل موضوعات گسترده‏ای بوده که دارای تقسیم‌بندی بسیاری از مباحث و رشته‌های مختلف است. 
 


2- انسان و زیست شناسی
دانش زیست شناسی از ابتدا تا امروز فکر انسان را به خود مشغول داشته است. به یقین می‏توان گفت که عشق به زندگی و تلاش برای حفظ آن بزرگترین انگیزة انسان در کشف حقایق طبیعت است. آدمی از دیرباز خواسته است تا بداند که چه نیرویی جاندارن را زنده نگه می‏دارد، ویژگی‏های متمایز کنندة موجودات جاندار از موجودات بی‏جان چیست؟ جانداران چرا می‏میرند؟  آیا از مرگ‏گریزی هست؟ و آیا آدمی می‏تواند زندگی جاودانه داشته باشد؟ آیا طول زندگی را می‏توان افزایش داد و آیا می‏توان عمری را در رفاه و تندرستی کامل گذراند؟ به چه طریق می‏توان از منابع طبیعی به نحو درست استفاده کرد؟ آیا می‏توان بین زیست شناسی و تکنولوژی ارتباط برقرار کرد؟ و خلاصه، با اتخاذ چه شیوه‏ها و تمهیداتی می‏توان با صرف هزینه‏ای کمتر جامعه‏ای سالم، مرفه و خوشبخت‏تر داشت؟ پاسخ به این پرسش‏های بنیادین و صدها پرسش دیگر را می‏توان در حیطة دانش «زیست شناسی» جستجو کرد. اهمیت دانش زیست شناسی آنچنان است که آدمی همة دانش‏ها را در خدمت این دانش قرار داده است. زیرا حفظ زندگی و بهبود آن محور اصلی فعالیت‏های آدمی را تشکیل می‏دهد. متأسفانه، در بسیاری از موارد، این خود محور بینی آدمی پیامدهای سوئی مانند نادیده گرفتن زندگی موجودات و استفادة نادرست از طبیعت را نیز به همراه داشته که بر طرف کردن افراط گرایی‏های انسان و احترام به حقوق طبیعت لازمة آن داشتن «اخلاق زیستی»  می‏باشد که بدان ها اشاره خواهد شد.
 

3- پیدایش حیات 
برای پرداختن به ادامه بحث بیائید از ابتدا شروع کنیم، آیا می‏دانید حیات بر روی کره زمین در چه زمانی آغاز شده است؟
برای پاسخ به این سوال بیائید در ابتدا به این مسئله بپردازیم که عمر زمین مان چقدر است؛ عمر زمین چیزی در حدود «4.5 میلیارد» سال می‏باشد، تعجب بر انگیز است!!! اما ما از این زمان اولیه شروع و تشکیل کره زمین مستقیماً چیز زیادی نمی‏دانیم، زیرا سنگ‏های قدیمی تر از «3.9 میلیارد» سال پیش پیدا نشده اند که بتوان اطلاعاتی از زمان اولیه تشکیل کرة زمین یافت، در واقع باید تاریخ «پیدایش حیات» را تاریخ پیدایش «ترکیبات آلی»  بدانیم و به جستجوی این ترکیبات در درون سنگ های قدیمی بپردازیم. وجود سنگواره های باکتری هایی در سنگ های حدود 3.5 میلیارد سال پیش نشان می دهد اما سنگواره های قدیمی تر از آنها یافت نگردیده و ممکن است حیات تاریخ قدیمی تری داشته باشد.

 


4- ترکیبات آلی 
در قسمت قبل از ترکیبات آلی صحبت شد آیا می دانید این ترکیبات چه هستند؟
بیائید تا با هم به پاسخ این پرسش بپردازیم، ترکیبات آلی به گونه‌ای از ماده و ترکیبات شیمیایی (جامد، مایع و گاز) گفته می‌شود که در مولکول‌های خود دارای «کربن و هیدروژن» باشند، تشکیل مولکول های سرشار از کربن و هیدروژن ساختار جانداران زنده را شکل می دهد، در واقع بدن موجودات زنده از ترکیبات آلی تشکیل شده که در درون «یاخته» یا همان سلول‏ها  سازمان می‏یابند تا ساختار یک موجود زنده را تشکیل دهند. به طور کلی همة جانداران از «یک یا چند یاخته» ساخته شده اند که مجموعه ای از مولکول های پیچیدة یا سازمان یافته می باشند. 

 

3

زیست شناسی کاربردی

 

بخش دوم-زیست شناسی کاربردی
5- یاخته 
در قسمت قبل از یاخته صحبت کردیم آیا تعریف آن را می دانید.
یاخته در واقع واحد پایه و ساختاری همة جانداران می باشد، همة موجودات زنده از یاخته ساخته شده اند برخی «تک یاخته ای»  مثل؛ باکتری‏ها و برخی «پریاخته‏ای»  مثل؛ انسان می‏باشند، یاخته کوچک ترین ساختار از یک موجود زنده است که می‏تواند به طور مستقل ویژگی‏های زیستی (جانداران) را نشان دهد (شکل-1) و (شکل-2).
در شکل های بالا دو یاخته جانوری و گیاهی نشان داده شده است، آیا می توانید تفاوت این دو یاخته را با هم بگوئید؟


6- ساختار موجودات زنده
 سطح‏های سازمان‏یابی حیات بدین شکل می‏باشد که از کنار هم قرار گرفتن «یاخته ها»، «بافت»  به وجود می‏آید مثل؛ (بافت عصلانی) و از کنار هم قرار گرفتن «بافت‏ها»، «اندام» شکل می‏گیرد مثل؛ (استخوان‏ها) و از کنار هم قرار گرفتن «اندام‏ها»، «دستگاه» شکل می‏گیرد مثل؛ (اسکلت کامل بدن) و از کنار هم قرار گرفتن «دستگاه ها»، «یک موجود زنده» شکل می‏گیرد مثل یک (انسان یا یک حیوان) (شکل-3).
آیا ویژگی‏های جانداران را می‏دانید؟ 
 


7- ویژگی‏های جانداران
هر جانداری دارای یکسری مشخصات کلی می‏باشد:
7-1 دارای ساختار است این بدان معنی می‏باشد که اجزاء تشکیل دهندة مادة زنده در واحدهای کوچکی به نام یاخته (سلول) سازمان یافته اند.
7-2  موجود زنده تغذیه می‏کند، موجود زنده کانون تغییر و تحول مواد می‏باشد به گونه‏ای ساده می‏توان گفت با عمل جذب، موادی، را از محیط می‏گیرد و به کمک آنزیم‏های مختلف روی مواد تغییر ایجاد نموده و نیازهای مادی و انرژیایی خود را از آن مواد تغییر یافته بدست می‏آورد و آنچه را که زائد است طی فرایند وازنش (دفع) به بیرون می‏راند.
7-3 موجود زنده رشد و نمو دارد، در واقع رشد به تغییرات کمی که در طی زندگی یک جاندار صورت  می‏گیرد گفته می‏شود در حالی که نمو شامل تغییرات کیفی است. مثالی از نمو را می‏توان به گلدهی یک گیاه اشاره کرد که در ابتدا فقط رشد داشته، اما پس از طی مرحلة رشد شروع به گلدهی یعنی همان نمو نموده است.

7-4 موجود زنده تحریک پذیر می‏باشد و به عوامل محرک از خود واکنش نشان می‏دهد همانند حرکت گل آفتاب‏گردان به سمت نور خورشید.
7-5 تولید مثل هم از دیگر ویژگی‏های جاندار زنده می‏باشد، که هر موجود زنده‏ای از موجود زندة قبلی به وجود آمده است.
7-6 یکی دیگر از ویژگی‏های جانداران فرگشت یا (تکامل)  است جاندار زنده در حال تغییر و تحول در جهت سازش با شرایط محیط صورت می‏گیرد. که این فرایند از ابتدای تشکیل جانداران وجود داشته و بر اثر عوامل مختلف که برخی از آن‏ها شناخته شده و برخی ناشناخته‏اند، در طی زمان تغییر می‏کنند. بنابراین هیچ گونه شکل ثابتی ندارند و بی‏تغییر باقی نمی‏مانند.
تا به اینجا با ویژگی‏های جانداران آشنا شدیم و دانستیم هر جانداری براساس مکانیسم بدنی خود دارای شرایط و ساختار خاص می‏باشد، با مشاهده کردن می‏توان از این ویژگی‏ها و استفاده در تکنولوژی محصولات خاصی را برای استفاده در زندگی بشر تولید نمود، پس باید همیشه به اطرافمان خوب نگاه کنیم تا بتوانیم آنها را کشف کنیم.
 


8- کاربردهای زیست شناسی
در قسمت‏های قبل با بخش‏هایی از دانش زیست شناسی آشنا شدیم، در این بخش قصد داریم تا شما را با کاربردهای زیست شناسی آشنا سازیم، در زیست شناسی، «تأمین غذا» و «تندرستی انسان» در رأس «پژوهش‏ها» قرار دارد. بدین لحاظ پژوهش‏های کشاورزی، دامداری، روش‏های پیشگیری و درمان، مبارزه با آفات و بیماری‏های گیاهی و دامی، حفظ محیط زیست برای داشتن زمینی پاک و قابل زیست، تولید دستگاه‏ها، تجهیزات، ابزارها و وسایل کاربردی برای موارد ذکر شده از اهمیت فراوانی برخوردارند. در بخش‏های دیگر با معرفی رشته‏های اختصاصی که به صورت هدفمند در این حوزه‏ها فعالیت می‏کنند بیشتر آشنا خواهیم شد. 

8-1 مبارزه با بیماری‏ها 
یکی از کارهای زیست شناسان شناختن بیماری‏ها و ارائه راهکار پیشگیرانه به جهت مقابله با آنهاست، بیماری‏های خطرناکی همچون «طاعون»، «وبا» و «آبله» که تلفات ناشی از آنها وحشتناک بوده، با همت و فداکاری زیست شناسان مهار شده است. 
آیا می‏توانید بیماری‏های دیگری را نام ببرید که با کمک زیست شناسان مهار و یا کنترل شده باشند؟

آیا راهکار و پیشنهادی برای مبارزه و پیشگیری بیماری‏های شایع در جهان دارید؟

8-2 مسئله خوراک
برطبق آمارهای منتشر شده، بیش از « 3/1درصد» مردم جهان دچار سوء تغذیه‏اند و این امر ناشی از نامناسب بودن و یا کمبود منابع غذایی ایست، بدین لحاظ از مدت‏ها قبل «زیست شناسان» در پی یافتن راه‏هایی جهت افزایش «فراورده» در واحد سطح هستند، یعنی بتوان از کمترین فضا بیشترین تولید «محصول» را برداشت نمود.
 همانطور که می‏دانید آفات گیاهی سالیانه خسارات سنگینی به محصولات کشاورزی وارد می‏نمایند، برای دست یافتن به راه حلی کار آمد و مهم، پژوهشگران با استفاده علم زیست شناسی برای اینکه بتوانند در هر یک از این بخش‏ها به صورت تخصصی عمل نمایند نیازمند علمی کاربردی و بین رشته‏ای بوده تا بتواند پاسخگو و برطرف کنندة این مشکلات باشند.
 سوالات زیادی ذهن پژوهشگران را به خود معطوف ساخته بود که چگونه می توان محصولاتی بهتر و باکیفیت‏تر، مقاوم‏تر به آفات و در زمان کمتری تولید نمود. پس از تحقیقات گسترده و آزمون و خطاهای بسیار، بالاخره رشته‏ای کاربردی و تخصصی به نام «زیست فناوری» یا بیوتکنولوژی را معرفی نمودند، در این رشته صدها دانشمند سرگرم پژوهش و تحقیق‏اند تا با استفاده از روش‏های نوین و بدون استفاده از مواد شیمیایی مضر و استفاده از مواد زیست شناختی (بیولوژیکی) یا تلفیقی سبب بهبود محصولات و حفاظت از آنها در برابر آفات شوند. رشته زیست فناوری آنقدر کاربردی است که می‏تواند تمامی حوزه‏های مختلف و مورد نیاز انسان، از کشاورزی گرفته تا بخش پزشکی را پوشش دهد.

دیدید که با استفاده از علم زیست شناسی براساس نیاز به رفع یک مشکل در تولید محصولات کشاورزی رشته‏ای ایجاد گردید، به نام «زیست فناوری» که در حیطه کشاورزی با ارائة راهکارهایی برای تولید محصولات کشاورزی با کیفیت تر و مقاوم تر ایجاد شد. 

آیا می‏دانید زیست فناوری چیست؟ می‏توانید آن را توضیح دهید؟
 

4

زیست فناوری و تاریخچه آن

بخش سوم زیست فناوری و تاریخچه آن


9- تعریف زیست فناوری
پیش از آنکه به این مبحث بپردازیم در ابتدا بیائید با تعریف «فناوری» آشنا شویم، فناوری یا تکنولوژی به معنای داشتن و به کار گرفتن فن (روش‏های علمی) و استفادة آن در «دانش» است، در واقع به معنی؛ تبدیل و تولید علم به عمل را فناوری می‏گویند. اما همانطور که از نامش مشخص است زیست فناوری، از دو واژة «زیست» که برگرفته شده از واژه «زیست شناسی»، که به معنای زندگی و یا هر چیزی که در مورد حیات و جاندار باشد گفته می‏شود (در قسمت های قبل زیست شناسی معرفی گردید) و «فناوری» که تبدیل علم به عمل، پس با ترکیب این دو واژه به طور کلی می‏توان گفت زیست فناوری یا (بیوتکنولوژی) به معنای استفاده و بکارگیری، موجودات زنده برای (تولید و یا توسعه محصولات کاربردی) می‏باشد. حال این تولید می‏تواند در زمینه دارو و یا محصولاتی باشد که بشر به مقدار زیادی نیازمند آن است. اما با استفاده از علم زیست فناوری نه تنها می توان از محصول مورد نظر بهره برد بلکه می‏توان ویژگی‏های بهتری نیز به آن محصول ارائه داد تا آن را خاص‏تر و کاربردی ‏تر کند.
بیائید تا با یک مثال زیست فناوری را بیشتر بررسی کنیم؛

 

 

 

 

 


اگر اهل خوردن ماست هستید این بخش را بادقت بیشتری بخوانید!

 

به عنوان مثال ماست را در نظر بگیرید، آیا می‏دانید که چگونه ساخته می‏شود؟            
خوب همانطور که می‏دانید ماست یکی از فراورده‏های به دست آمده از شیر می‏باشد اما اینکه چگونه این مادة خوشمزه تولید می‏شود جای سوال دارد؟ 
بیائید تا با هم ماست درست کنیم، مقداری شیر ولرم و مقداری ماست حدوداً یک قاشق غذا خوری را با هم و به آرامی در یک ظرف ترکیب کنید و آن را ساکن در یک جا قرار دهید و روی آن را  درب و دور آن را با پَتو بپوشانید و بعد از یک، الی دو ساعت آن را به آرامی در یخچال قرار دهید، تبریک می گویم بعد از 24 ساعت ماست خودمان را خواهیم داشت حال می‏توانید بگوئید به چه علت و چگونه این ماست تولید شده؟ 

بیائید بیشتر بررسی کنیم، ماستی که ما بعد از انتقال به درون ظرف شیر به آن اضافه نمودیم را عمل مایه زدن ماست می‏گویند، در واقع ما مقداری از باکتری‏های مفیدی را از درون ماست قبلی برداشته و به درون شیر ولرم که بستر مناسبی برای رشد باکتری‏ها است اضافه نمودیم، باکتری‏ها به آرامی و راحتی رشد نموده و مادة خوشمزه‏ای به نام ماست تولید می‏کنند. آیا نام این باکتری را می‏دانید؟ می‏توانید چند محصولی را که با استفاده از باکتری‏ها تولید می‏شوند را نام ببرید؟
 

 

(شکل-4) لاکتوباسیل نوعی باکتری تولید کنندة ماست

پس دیدید که برای تولید ماست از موجودات زنده «میکروارگانیسم‏ها» برای تولید محصولی به نام ماست استفاده گردید، در واقع زیست فناوری از این موجودات برای تولید محصولی خوشمزه به نام ماست بهره می‏گیرد (شکل-4).

 

9-1 تفاوت زیست شناسی با زیست فناوری
تا بدینجا با زیست شناسی و زیست فناوری آشنا شدید اما شاید برای خیلی از شما عزیزان این سوال پیش آید، که این رشته چه تفاوتی با زیست فناوری دارد؟
 

چند دقیقه به این سوال فکر کنید نظرتان چیست؟ می‏توانید در چند سطر زیر توضیح دهید؟

 

بیائید تا باهم تفاوت این دو رشته را بررسی کنیم؛ رشته زیست شناسی به معنای آشنایی با موجودات زنده اطراف ما، چگونگی زندگی آن‏ها و تاریخچة به وجود آمدن ارگانیسم‏ها «موجودات زنده» می‏باشد، در حالیکه زیست فناوری به «کاربرد» این موجودات در «تولید محصول» یا «درمان و ارائه خدمات» می‏پردازد.

پس در هر زمان که از این موجودات زنده (شامل:گیاهان، جانوران، انسان‏ها، ارگانیسم‏ها) استفاده شود و کاربردی جدید به خود گیرد آن زمان معنای زیست فناوری وقوع پیدا می‏کند، اما نباید این موضوع را فراموش کنیم که زیست شناسی پایه و اساس علم زیست فناوری می‏باشد.
 


9-2 جایگاه زیست فناوری در میان رشته‏های دانشگاهی
اگر تا به اینجا به این رشته علاقه‏مند شدید بیائید تا با بخش آموزش دانشگاهی این رشته آشنا شویم، این رشته«زیست فناوری» از علم «مخمرشناسی» به وجود آمده و در سال 1919 در کشور مجارستان واژه «بیوتکنولوژی» ظهور یافت و تاکنون در کشورهای مختلف این رشته ارائه و تدریس می‏شود. بیوتکنولوژی شامل دو بخش دکتری پیوسته بیوتکنولوژی که 20 نفر اول کنکور رشته تجربی برای این رشته انتخاب خواهند شد و رشته کارشناسی زیست فناوری که همانند دکتری بیوتکنولوژی می‏باشد.
نکته قابل توجه این است که اولویت این رشته حتی از پزشکی نیز بالاتر است. به چه دلیل؟
فرض کنید خودرویی به مشکل فنی برخورده است. در اولین گام راننده خودرو را به تعمیرگاه انتقال می‏دهد اما در گام دوم آیا تعمیرکار مستقیماً وارد عمل شده و کل موتور خودرو را باز می‏کند؟
در این بخش است که دستگاهی به نام دیاگ به کمک تعمیرکار آمده و بدون نیاز به باز کردن موتور، دستگاه دیاگ بخشی را که به مشکل فنی خورده پیدا می‏کند و تعمیرکار فقط به تعمیر همان قسمت مشکل خورده می‏پردازد. مثال رشته پزشکی و زیست فناوری نیز همین است که با استفاده از زیست فناوری بدون نیاز به عمل جراحی می توان بیماری را تشخیص داد و حتی درمان کرد. خوشبختانه گام بزرگ تر رشته زیست فناوری پیشگیری از بیماری ها است که حتی کار به مراجعه پزشک هم نرسد.
 

9-3 تاریخچة زیست فناوری در ایران و جهان
تا کنون مفاهیمی از زیست فناوری و جایگاه آن در کشور را آموختید. اما این رشته از چه تاریخی نشأت می‏گیرد؟
حال برای بینش بیشتر نگاهی بیندازیم بر تاریخچه این علم:
500 سال پیش از میلاد مسیح، نخستین استفاده از آنتی بیوتیک ها صورت گرفت.                                                                               
سال 100، میلادي، تولید نخستین آفت کش طبیعی ساخته شد. 
سال 900، میلادي، کشف الکل توسط محمدبن زکریاي رازي انجام گردید.   
سال 1668، نخستین ورود زیست فناوري به صنعت با احداث نخستین کارخانة آبجوسازي در کانادا با استفاده از فرایند تخمیر صورت پذیرفت.                                                                                                                 
سال 1797، نخستین استفاده از واکسن انجام شد.
1859، ارایة نظریه انتخاب طبیعی توسط داروین زیست شناس مشهور صورت گرفت.
1865، پایه ریزي مبانی علم ژنتیک توسط مندل صورت گرفت. 
 

(شکل-5)گریگور مندل

1870، استفاده کشاورزان از باکتري‏هاي تثبیت کنندة نیتروژن (کود زیستی) برای رشد بهتر و طبیعی تر محصولات.  
1914، استفاده از باکتري براي تصفیة فاضلاب های شهری و کارخانجات. 
1919،  براي نخستین بار در مقالات علمی از واژه زیست فناوري استفاده شد.
اما "واژه زیست‌فناوری نخستین بار در سال 1919 از سوی کارل اِرِکی به مفهوم استفاده از سیستم‏های زنده و ارگانیسم‏ها برای توسعه یا تولید محصولات یا هرگونه کاربرد تکنولوژیکی که از سیستم‏های بیولوژیکی، موجودات زنده یا مشتقات آن استفاده می‌کند تا محصولات یا فرآیندهای خاصی را ایجاد یا اصلاح کند، به‌ کار گرفته شد."او یک کشتارگاه برای هزار خوک و همچنین یک مزرعه پرورش با فضایی برای ۵۰.۰۰۰ خوک، و افزایش بیش از ۱۰۰.۰۰۰ خوک در سال ساخت. این تشکیلات به یکی از بزرگترین و سود آورترین سازمان‌های گوشت و چربی در جهان تبدیل شد. در کتابی با عنوان« Biotechnologie, Ereky» به بسط موضوعی پرداخت که می‌توانست در قرن بیستم تکرار و تصریح شود، بیوتکنولوژی قادر به ارائه راه حل‌هایی برای بحران‌های اجتماعی، مانند کمبود مواد غذایی و انرژی است.
سال 1921 کشف انسولین به عنوان درمان براي دیابت کاشف داروی انسولین و نخستین آزمایش کننده این دارو بر روی انسان شخصی است بنام فردریک بنتینگ .

(شکل-6) اولین حیوان دست ورزی شده

بنتینگ با مسدود کردن مجراهای پانکراس سگ‌های آزمایشگاهی توانست مانع تخریب سلول‌های تولیدکننده انسولین در پانکراس توسط مواد شیمیایی گوارشی شود، تا بتوان انسولین  را استخراج کرد. وی به همراه دستیارش دکتر چارلز بست توانست این دارو را برای کنترل قند خون در افراد مبتلا به دیابت کشف کند."
 1928، کشف پنی سیلین به عنوان آنتی بیوتیک توسط الکساندر فلمینگ انجام شد.  
 

1942، تولید انبوه پنی سیلین با استفاده از میکروب‏ها  صورت گرفت. 
1944، کشف انتقال اطلاعات وراثتی از طریق DNA و اثبات آن توسط ایوري و دیگر پژوهشگران انجام گردید.  
1953- توضیح ساختار دورشته اي DNA 
 

(شکل-7) جمیز واتسون و فرانسیس کریک در جوانی

(شکل-8) واتسون و کریک دانشمندان سازنده ساختار دو رشته ای

1963، تولید و پرورش ارقام تازه اي از گندم توسط نورمن بورلاگ که موجب افزایش 70 درصدي محصول گردید.  
1966، هم جوشی موفقیت آمیز سلول موش و انسان توسط هریس و واتکینز انجام شد. 
1968، کشف رمزهاي سه حرفی ژنتیکی در این سال صورت پذیرفت.     
سال 1973، کلون شدن DNA نوترکیب در باکتري براي نخستین بار صورت گرفت.  
سال 1977، کشف روش‏هایی براي توالی یابی سریع قطعات بلند DNA با استفاده از الکتروفورز و ایجاد جهش‏های   معین در بخش هاي مشخصی از مولکول  DNA  انجام گردید.
سال 1979، سنتز هورمون رشد انسانی (HGH) براي نخستین بار 
 

سال 1981، تولید نخستین جانور دستکاری شده.  
سال 1983، اختراع تکنیک واکنش زنجیره اي پلی مراز(PCR)  
سال 1984، توسعه تکنیک انگشت نگاري  DNA  
سال 1985، استفاده از انگشت نگاري DNA به عنوان مدرك جرم در دادگاه ها
سال1986، تولید نخستین واکسن نوترکیب براي هپاتیت B جهت مصرف در انسان  
سال1987، در این سال چشم انداز محصولات زیست فناوري در زمینه هاي مختلف مانند کشاورزي و پزشکی براي ورود به بازار روشن تر شد.  
نخستین آزمایش میدانی داراي مجوز بر روي یک باکتري نوترکیب تأیید واکسن هپاتیت B حاصل از مهندسی ژنتیک براي استفاده در کانادا همچنین در دهه 1980، استفاده از میکروب‏ها در تصفیة لکه هاي نفتی، فناوري زیست پالایی 
سال 1990،  نخستین استفادة آزمایشی از ژن درمانی صورت گرفت. 
سال 1994، نخستین تأییدیة FDA براي یک غذاي کامل تولیدشده با استفاده از فناوري زیستی انجام شد.  
 سال 1997، شبیه سازي نخستین جانور از یک سلول بالغ در اسکاتلند.  
 

(شکل-9) گوسفند دالی 

 

 

 

 

 

 

5

شاخه های زیست فناوری

حال بیائید به بررسی مشتقات رشتة «زیست فناوری» بپردازیم؛
بخش چهارم- شاخه های زیست فناوری
9-4 معرفی شاخه‏های رشته زیست فناوری (بیوتکنولوژی) 
رشته بیوتکنولوژی یک رشته کاربردی و میان رشته‏ای مهندسی علوم است که قلمرو آن «حداقل ۳۳» حوزه تخصصی علوم را در بر می‏گیرد.
9-4-1 انواع شاخه‏های رشته زیست فناوری:
به طور کلی رشته زیست فناوری از 5 بخش اصلی تشکیل شده که عبارتند از:
1-1-4-9 بیوتکنولوژی پزشکی
2-1-4-9 بیوتکنولوژی غذایی داوریی
3-1-4-9 بیوتکنولوژی محیط زیست
4-1-4-9 بیوتکنولوژی صنعتی
5-1-4-9 بیوتکنولوژی کشاورزی
 

6

بیوتکنولوژی پزشکی و بیوتکنولوژی غذایی دارویی

بخش پنجم- بیوتکنولوژی پزشکی و بیوتکنولوژی غذایی دارویی


هر کدام از این شاخه‏ ها از زیر شاخه‏ های دقیق‏ تری تشکیل شده ‏اند.
9-4-1-1 بیوتکنولوژی پزشکی: 

بیوتکنولوژی پزشکی رشته ای از زیست فناوری است که متخصصان آن در حوزه‏های «پزشکی مولکولی»، امکان تشخیص پیش از تولد بیماری‌ها به جهت (پیشگیری) و پس از آن، «ژن‌‌درمانی»، تولید داروها و واکسن‌های نوترکیب و جدید، «ساخت کیت‌های تشخیصی»، «ایجاد میکروارگانیسم‌های دستکاری» شده برای کاربردهای خاص و... فعالیت می‏کنند.

 

 

 

 

 

 


1-1-1-4-9  پزشکی مولکولی:
 شاخه‌ وسیعی از دانش پزشکی است که علوم پایه و پزشکی را در جهت شناسایی اساس مولکولی و خطاهای ژنتیکی بیماری ها به منظور یافتن راههای پیشگیری، تشخیص و مداخله‌های مولکولی برای اصلاح بیماریها به کار می‌گیرد. همانند اثر انگشت هر فرد، میزان تأثیر هر دارو نیز در هر بیمار متفاوت است. در این شاخه به این ویژگی ها پرداخته می شود که چه دارویی برای چه بیماری مناسب است. ممکن است یک مسکّن ساده برای شما اثر کافی داشته باشد امّا برای دوست خود چطور؟ این همان هدف پزشکی مولکولی است.

 


2-1-1-4-9  امکان تشخیص پیش و پس از بروز بیماری‌ها:
    از طریق بیوتکنولوژی پزشکی و بررسی‏های ژنتیکی فرد می‏توان قبل از بروز بیماری آن را تشخیص داد و از آن پیشگیری کرد که دیگر در فرد بروز نکند. مانند دیابت، خوشبختانه از طریق همین شاخه می‏توان بیماری‏های ژنتیکی را در دوران جنینی (دوران بارداری) تشخیص داد، که با این تشخیص احتمال اضافه شدن فردی با بیماری ژنتیکی به این جامعه به حداقل خواهد رسید.

 3-1-1-4-9 ژن درمانی : 
   مجموعه‌ای از روش‌های درمانی است که طی آن با ترمیم و رفع عیب ژن، بیماری را درمان می‌کنند. هر بیماری ژنتیکی ناشی از خوب بیان نشدن ژن است. با پیدا کردن آن ژن و ترمیم آن می توان پاسخ خوبی از بدن گرفت و بدون مصرف دارو و یا عمل جراحی بیمار را درمان کرد.

4-1-1-4-9  ایجاد میکروارگانیسم‌های دستکاری شده برای کاربردهای خاص(مهندسی ژنتیک):
   به‌عنوان بخشی از دانش زیست‌فناوری؛ به مجموعه روش‌هایی گفته می‌شود که به منظور جداسازی، خالص سازی، وارد کردن و بیان یک ژن خاص در یک میزبان بکار می‌روند و نهایتاً منجر به بروز یک صفت خاص یا تولید محصول مورد نظر در جاندار میزبان می‌شود. کاربردهای مهندسی ژنتیک تقریباً نامحدود به نظر می‌رسد.


2-1-4-9  بیوتکنولوژی غذایی دارویی
زیست فناوری دارویی حوزه ای کمابیش نوین و روبه رشد است؛ حوزه ای که در آن از مبانی زیست فناوری برای تولید داروهای بهتر و کارآمدتر استفاده می‌شود. امروزه اکثر داروهای موجود در بازار دارای فرمولاسیون زیستی هستند؛ مانند آنتی بیوتیک‌ها، محصولات نوکلئیک اسیدی و واکسن‌ها. زیست فناوری دارویی برای تولید چنین داروهایی مبتنی بر اصول و سلسله مراتبی است که عبارت اند از:
همة ما این روزها شاهد پیشرفت چشم گیر صنایع غذایی هستیم. شاید بتوان گفت زیست فناوری نقش اصلی را در این پیشرفت‌ها ایفا کرده است. گیاهان و جانوران اصلاح شده از نظر ژنتیکی در بهبود طعم، ماندگاری و ارزش غذایی محصولات مورد استفاده قرار می گیرند. از سویی دیگر مخمرها و باکتری‌های اصلاح شده از نظر ژنتیکی نیز در تولید آنزیم‌ها و بسیاری از محصولات غذایی به ما کمک می کنند. این گروه از محصولات غذایی همگی با استفاده از تکنیک‌های زیست فناورانه علی‏الخصوص مهندسی ژنتیک تولید می شوند. در همین راستا، هدف مهندسی ژنتیک وارد کردن ژن خارجی دلخواه به یک موجود است. ورود ژن خارجی عموماً به منظور ارتقای کیفیت و کمیت محصولات غذایی صورت می گیرد. با افزایش میزان تولید در واحد سطح، در نهایت این تکنیک‌ها موجب ریشه کن شدن گرسنگی و قحطی در کشورهای جهان سوم به ویژه آفریقا خواهند شد.

9-4-1-2-1 تولید داروها و واکسن‌های نوترکیب  و جدید:
محصولات نوترکیب که با دستکاری‌های ژنتیک و تغییرات DNA در موجودات مختلف همراه است موجب تحول عظیمی در تنوع فراورده‌های دارویی مورد مصرف شده‌است. دارو های نوترکیب از جنس طبیعت است و کمترین ضرر را برای بدن دارد مثالی برای این قبیل محصولات عبارتند از مواد اولیه دارویی، واکسن های نوترکیب و سیستم‌های نوین دارو رسانی و ژن رسانی با هدف دارو درمانی و ژن درمانی. 


9-4-1-2-2 ساخت کیت‌های تشخیصی:
 برای بررسی حضور علائم بیماری و سلامت مورد استفاده قرار می گیرد مانند علامت های بیماری های تیروئید ، اندازه گیری تعداد و اندازه سلول های خون ، آلودگی میکروبی و ویروسی مانند HIV  و هلیکو باکترپیلوری و....


در شکل زیر می توانید مشاهده کنید که ژن های یک باکتری (ژن های کمکی) علاوه بر تکثیر ژن های خود، ژنی را که مورد نظر ما هست را همزمان تکثیر می دهد و در انتها صفتی که مورد نیاز ما هست پدیدار می شود و آن صفت-ژنی که باعث بروز پروتئینی خاص شده است- را از محیط کشت جدا کرده و استفاده می کنیم (شکل-10).


 (شکل-10) تکثیر ژنی
 

7

بیوتکنولوژی محیط زیست ودریا و بیوتکنولوژی کشاورزی و صنعتی

بخش ششم- بیوتکنولوژی محیط زیست ودریا و بیوتکنولوژی کشاورزی و صنعتی


3-1-4-9 بیوتکنولوژی محیط زیست و دریایی:
   دريا بستر بسيار مناسبي جهت تحقيق و توسعه است؛ اما تاکنون همة پتانسيل آن شناخته نشده است. در حقيقت، بخش اعظمي از موجودات دريايي (به خصوص ميکروارگانيسم هاي اوليه) هنوز ناشناخته باقي مانده اند که به تدريج در حال شناسايي هستند. حتي در مورد موجودات زندة شناخته شده نيز دانش کافي جهت مديريت کارا و بهره برداري بهينه از آنها وجود ندارد. اين همه، اهمیت بيوتکنولوژي دريايي را روشن مي سازند.
     تا به حال به ذهنتان رسیده است که از این آب بی کران با دنیایی که در زیر آن قرار دارد چه استفاده هایی می شود؟
..........................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................

   بيوتکنولوژي دريايي يکي از حوزه هاي در حال رشد است که با کمک آن، از موجوداتي مانند ماهي، جلبک و يا باکتري ها به طور مستقيم و غيرمستقيم استفاده مي شود. حوزه های بيوتکنولوژي دريايي به شرح زير است:
9-4-1-3-1 توليد فرآورده هاي جديد و اصلاح شده:
   با توجه به پتانسيل بالاي موجود در دريا و تنوع موجودات آبزي، تاکنون محصولات فراواني از آنها بدست آمده است. مانند مواد دارويي، آنزيم ها  ،کيت هاي تشخيصي، آفت کش هاي زيستي، توليد بيومس  جهت توليد انرژي و ….اکثر اين فرآورده ها  کمیاب هستند و نمي توان مشابه آن را از موجودات خشکي زي به دست آورد. علاوه بر اين، ميکروارگانيسم هاي دريايي، منبع غني از ژن هاي جديدي هستند که مي توان از آنها براي توليد داروها و فرآورده هاي بيولوژيک جديد و دسترسي به اهداف ديگر استفاده کرد.

9-4-1-3-2  شيلات و پروش آبزيان به صورت پايدار و مطمئن
استفاده از منابع شيلاتي به صورت مطمئن و پايدار، يکي از ملزومات صيد ماهي از درياها است. صيد بي رويه باعث صدمه يافتن اکوسيستم هاي دريايي شده و حتي به از بين رفتن برخي گونه ها مي انجامد به همين دليل و با افزايش رشد جمعيت و نياز به منابع دريايي، رويکرد به آبزي پروري نيز فزوني يافته است.که بیوتکنولوژی دریایی از طریق  تکثير زياد و نمو سريع، بهبود سطح بهداشت و سلامتي، افزايش ارزش و کيفيت محصولات، حفاظت از منابع ژنتيکي و ايجاد مدل هاي بيومديکال برتر به حوزه دریا نیز دیاری می رساند (شکل-11).

(شکل-11) صنعت شیلات در ایران


9-4-1-3-3 مقابله با آلودگی هوا
از دیگر شاخه های زیست فناوری محیط زیست آلودگی های محیطی می باشد که در ایران از مهم ترین آن ها آلودگی هوا می باشد. در این رشته به پرورش گیاهان و جلبک های که تأثیر بسیار فراوان روی تهویه هوا گذاشته می شود می پردازند. با پرورش این گیاهان و سوار کردن آن بر روی دیوار های مخصوص می توان به راحتی هوای داخل خانه را تهویه کرد (شکل-12).

(شکل-12) دیوار سبز

4-1-4-9 بیوتکنولوژی صنعتی:
این شاخه از بیوتکنولوژی مربوط به ساخت و سازهای زیستی که شامل حوزه های مهندسی نساجی، مهندسی واکنش‏های شیمیایی، فرآیندهای جداسازی، تخلیص، طراحی راکتورهای بیوشیمیایی «بیوراکتورها» ، ساخت آنزیم، تولید بیوانرژی، استفاده از باکتری‏ها برای استخراج طلا و مس، تولید لباس از باکتری‏ها، تولید رنگ‏های زیستی، بیولومینانس، ساخت پرینترهای سه بعدی زیستی برای  ساخت انواع اندام و ....  می‏باشد. به طور کلی هر دستاوردی از شاخه‏های زیست فناوری که به حوزه تولید و ارائه برسد وارد بخش صنعتی خواهد شد، زیرا این شاخه علاوه بر گسترش صنعتی به بازرسی استاندارد‏های کیفی و ثبت شده جهانی نیز می‏پردازد (شکل-13).

 
(شکل-13) بیو راکتور

9-4-1-4-1 سوخت های زیستی
یکی از انواع انرژی‌ها با قابلیت جایگزینی، سوخت‏های زیستی  می‌باشند که به سه شکل «جامد، مایع و گاز» می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. محتوای انرژی سوخت زیستی از منابع زیستی و مواد آلی که بدن موجودات زنده را تشکیل داده است به وجود آمده در واقع سوخت زیستى نوعى از سوخت می‏باشد که از منابع زیست‌توده  به وجود مى‌آید. 
در سال‌های اخیر محبوبیت سوخت‌های زیستی به دلیل افزایش قیمت نفت و نیاز به تأمین امنیت انرژی، افزایش یافته است. منبع اصلی انرژی در زیست‌توده‌ها انرژی خورشید است که طی فرایند فتوسنتز در گیاه ذخیره می‌شود. این انرژی ذخیره شده در گیاهان و زیست‌توده‌ها ‌می‌تواند طی فرایندهای مختلف به انرژی قابل استفاده برای انسان تبدیل شود (شکل-14).

(شکل-14) منابع بیومس

5-1-4-9 بیوتکنولوژی کشاورزی:
بیوتکنولوژی کشاورزی مجموعه ای از تکنیک های علمی کاربردی در توسعه و پیشرفت گیاهان و میکروارگانیسم ها است .برپایه شناخت DNAدانشمندان راه حل هایی را جهت پیشرفت در تولیدات کشاورزی ارائه دادند. با توانایی در شناخت ژن های موثر بر محصولات خاص و نیز توانایی به کار گیری بسیاردقیق این چنین خصوصیات، بیوتکنولوژی توانایی اصلاح کردن را در ایجاد محصولات خاص ارتقا می دهد.

1-5-1-4-9 مهندسی ژنتیک:
دانشمندان به دانش چگونگی انتقال ژن ها از یک ارگانیسم به ارگانیسم دیگر دست یافتند. این دانش را اصلاح ژنتیکی  (GM) ، مهندسی ژنتیک (GE)ویا پیشرفت و توسعه ژنتیکی می نامند. صرف نظر از نام آن این فرایند امکان انتقال خصوصیات مفید و کارآمد (همانند مقاومت در برابر بیماری) را با تزریق ژن (DNA) از یک ارگانیسم به گیاه می دهد. در حقیقت تا به امروز همه محصولات ارتقا یافته از طریق انتقالDNA) ) اغلب معروف به محصولات  GMو یا  GMOجهت مساعدت کشاورزان در افزایش بهره وری از طریق کاهش خطرات و صدمات محصول از علف های هرز، بیماری ها و حشرات ارائه شده است. 

2-5-1-4-9 واکسن های گیاهی:
واکسن های بر گرفته از بیوتکنولوژی برای انسان و حیوان به کار برده می شود. شاید این واکسنها ارزان تر و ایمن تر از واکسن های معمول باشند. این واکسن ها در دمای اتاق ثابت و غیر قابل تغییر هستند و نیازی به ذخیره سازی در جای سرد و یخچال ندارند که این امر مهم ترین مزیت برای مراکز کوچک نگهداری واکسن در کشور های حاره ای است. برخی از این واکسن ها نمونه های جدیدی هستند که بعد از تزریق اولین دُز به عنوان یک محافظ برای برخی از بیماری های التهابی عمل می کنند .


5-3-1-4-9 کشت بافت:
کشت بافت همان احیای گیاهان از بخش های سالم گیاه است. این تکنیک امکان تکثیر مواد قابل کشت سالم برای محصولات را می دهد . نمونه هایی از محصولات تولیدی به روش کشت بافت شامل انواع مرکبات، آناناس، انبه، موز، قهوه، آووکادو و انبه هندی هستند (شکل-15)

(شکل-15) رشد گیاهان در محیط کشت


حال که با شاخه های اصلی زیست فناوری تا حدودی آشنا شده اید وقت آن است که شاخه مورد علاقه خودتان را انتخاب کنید و در بخش های بعدی به مطالعه تخصصی روی همان شاخه بپردازید. امّا قبل از مطالعه تخصصی نگاهی به اساتید و مراکز علمی مشهور در این رشته بیاندازید.

0%